Celulă galvanică
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 9 septembrie 2021; verificările necesită 7 modificări .O celulă galvanică (circuit electrochimic) este o sursă chimică de curent electric bazată pe interacțiunea a două metale și/sau oxizi ai acestora într- un electrolit , ducând la apariția unui curent electric într-un circuit închis. Numit după Luigi Galvani . Conversia energiei chimice în energie electrică are loc în celulele galvanice.
Astfel, o celulă galvanică este un dispozitiv în care energia unei reacții chimice redox este convertită în energie electrică.
Istoria studiului proceselor galvanice
Fenomenul apariţiei unui curent electric la contactul cu diferite metale a fost descoperit de fiziologul italian , profesor de medicină la Universitatea din Bologna ( Bologna , Italia ) - Luigi Galvani în 1786 : Galvani a descris procesul de contracţie a muşchilor picioarele posterioare ale unei broaște proaspăt preparate , fixate pe cârlige de cupru , când sunt atinse cu un bisturiu de oțel . Observațiile au fost interpretate de descoperitor ca o manifestare a „electricității animale”.
Fizicianul și chimistul italian Alessandro Volta , interesat de experimentele lui Galvani, a văzut un fenomen complet nou - crearea unui flux de sarcini electrice. Verificând punctul de vedere al lui Galvani, A. Volta a făcut o serie de experimente și a ajuns la concluzia că cauza contracției musculare nu este „electricitatea animală”, ci prezența unui lanț de conductori diferiți în lichid. În confirmare, A. Volta a înlocuit piciorul broaștei cu un electrometru inventat de el și a repetat toți pașii. În 1800, A. Volta și-a anunțat public descoperirile pentru prima dată la o reuniune a Societății Regale din Londra . În experimentul său, un conductor de clasa a doua (lichid) se află în mijloc și este în contact cu doi conductori de clasă întâi din două metale diferite. Ca urmare, apare un curent electric dintr-o direcție sau alta.
În 1802, fizicianul rus Vasily Vladimirovici Petrov a proiectat cea mai mare baterie galvanică din lume, constând din 4200 de cercuri de cupru și zinc cu un diametru de aproximativ 35 de milimetri și o grosime de aproximativ 2,5 milimetri, între care erau plasate hârtie înmuiată într-o soluție de amoniac . Petrov a fost cel care a aplicat prima izolație (cu ajutorul cerii de etanșare ). Întreaga structură a fost așezată într-o cutie din lemn masiv de mahon, acoperită cu un strat izolator din diverse rășini [1] . Conform estimărilor moderne, bateria lui Petrov a dat o tensiune de aproximativ 1500V. [2] Un om de știință rus a investigat proprietățile acestei baterii ca sursă de curent și a arătat că funcționarea sa se bazează pe procese chimice între metale și electrolit. M. A. Shatelen a remarcat că experimentele lui Petrov pot fi considerate cercetări care au pus bazele electrometalurgiei moderne în cuptoarele cu arc. [3] Petrov a folosit bateria construită pentru a crea un arc electric și a experimentat cu aceasta. Rezultatele lucrării sale au fost detaliate în lucrarea „News of Galvani-Volta Experiments”, [4] publicată în 1803. [5] [6]
Tipuri de electrozi
Compoziția celulei galvanice include electrozi . Electrozii sunt:
Electrozi reversibile
- Electrozi de primul fel - electrozi formați dintr-un metal scufundat într-o soluție de sare;
- Electrozi de al 2-lea fel - un electrod format dintr-un metal acoperit cu o sare puțin solubilă a aceluiași metal, scufundat într-o soluție de sare care conține un anion comun cu o sare insolubilă ( electrod de clorură de argint, electrod de calomel , electrozi de oxid de metal);
- Electrozi de al 3-lea fel - electrozi constând din două precipitate insolubile de electroliți: într-unul mai puțin solubil există un cation , care se formează din metalul electrodului, iar în unul mai solubil există un anion comun cu primul precipitat ;
- Electrozi de gaz - electrozi formați dintr- un metal inactiv în soluție și gaz ( electrod de oxigen, electrod de hidrogen );
- Electrozi de amalgam - electrozi formați dintr-o soluție de metal în mercur ;
- Electrozi redox - electrozi formați dintr-un metal inactiv (ferri-fero-electrod, electrod chinhidrone ).
Electrozi membranari ion-selectivi
- Electrozi cu membrană schimbătoare de ioni cu sarcini fixe - electrod de sticlă ;
- Electrozi constând din schimbătoare de ioni asociate cu lichid ;
- Electrozi cu membrană bazați pe chelatori activi pe membrană ;
- Electrozi cu membrane mono- și policristaline.
Caracteristicile celulelor galvanice
Celulele galvanice sunt caracterizate prin forță electromotoare (EMF) , capacitate; energia pe care o poate da circuitului extern; persistenţă.
- Forța electromotoare (EMF) a unei celule galvanice depinde de materialul electrozilor și de compoziția electrolitului. EMF este descrisă de funcțiile termodinamice ale proceselor electrochimice în desfășurare sub forma ecuației Nernst .
- Capacitatea electrică a unui element este cantitatea de energie electrică pe care o eliberează sursa de curent atunci când este descărcată. Capacitatea depinde de masa de reactivi stocati in sursa si de gradul de conversie a acestora; scade odată cu scăderea temperaturii sau cu creșterea curentului de descărcare.
- Energia unei celule galvanice este numeric egală cu produsul dintre capacitatea și tensiunea acesteia. Odată cu creșterea cantității de substanță a reactivilor din element și până la o anumită limită, cu creșterea temperaturii, energia crește. Energia este redusă prin creșterea curentului de descărcare.
- Persistența este perioada de păstrare a unui element în care caracteristicile acestuia rămân în limitele specificate. Retenția unui element scade odată cu creșterea temperaturii de depozitare.
Clasificarea celulelor galvanice
Celulele galvanice primare sunt dispozitive pentru conversia directă a energiei chimice , a reactivilor conținuți în acestea ( agent oxidant și agent reducător ), în energie electrică . Reactivii care alcătuiesc sursa sunt consumați în timpul funcționării acesteia, iar acțiunea se oprește după consumarea reactivilor. Un exemplu de celulă galvanică este celula Daniel- Jacobi .
Celulele mangan-zinc care nu conțin o soluție lichidă de electrolit (pile uscate, baterii) sunt utilizate pe scară largă . Astfel, în celulele de sare Leclanche , electrodul de zinc servește ca catod , un electrod realizat dintr-un amestec de dioxid de mangan și grafit servește ca anod , iar grafitul servește ca colector de curent. Electrolitul este o pastă de soluție de clorură de amoniu cu adaos de făină sau amidon ca agent de îngroșare.
Celulele alcaline mangan-zinc , în care pasta pe bază de hidroxid de potasiu este utilizată ca electrolit , au o serie de avantaje (în special, o capacitate semnificativ mai mare, o funcționare mai bună la temperaturi scăzute și la curenți de sarcină mari).
Sarea și elementele alcaline sunt utilizate pe scară largă pentru alimentarea echipamentelor radio și a diferitelor dispozitive electronice.
Sursele secundare de curent ( acumulatoare ) sunt dispozitive în care energia electrică a unei surse externe de curent este convertită în energie chimică și acumulată, iar energia chimică este din nou convertită în energie electrică.
Una dintre cele mai comune baterii este plumbul (sau acidul) . Electrolitul este o soluție de acid sulfuric 25-30% . Electrozii unei baterii cu acid sunt grile de plumb umplute cu oxid de plumb , care, atunci când interacționează cu electrolitul, se transformă în sulfat de plumb (II) - PbSO 4 .
Există și baterii alcaline: bateriile cu nichel-cadmiu și nichel-hidrură metalică au primit cea mai mare utilizare , în care hidroxidul de potasiu (K-OH) servește ca electrolit .
În diferite dispozitive electronice ( telefoane mobile , tablete , laptopuri ), se folosesc în principal baterii litiu-ion și litiu-polimer , care se caracterizează prin capacitate mare și fără efect de memorie .
Generatoarele electrochimice ( pile de combustibil ) sunt elemente în care energia chimică este transformată în energie electrică. Agentul de oxidare și agentul de reducere sunt stocate în afara celulei și sunt furnizate în mod continuu și separat electrozilor în timpul funcționării. În timpul funcționării celulei de combustie, electrozii nu sunt consumați. Agentul de reducere este hidrogen (H2 ) , metanol ( CH30H ), metan (CH4 ) ; în stare lichidă sau gazoasă. Agentul de oxidare este de obicei oxigen - din aer sau pur. Într-o pilă de combustibil oxigen-hidrogen cu un electrolit alcalin , energia chimică este transformată în energie electrică. Centralele electrice sunt folosite pe nave spațiale : ele furnizează energie navelor spațiale și astronauților .
Aplicație
- Celulele galvanice sunt folosite în sistemul de alarmă, lanterne, ceasuri, calculatoare, sisteme audio, jucării, radiouri, echipamente auto, telecomenzi, calculatoare.
- Bateriile sunt folosite pentru pornirea motoarelor auto; este de asemenea posibilă utilizarea lor ca surse temporare de energie electrică în locuri îndepărtate de aşezări.
- Pilele de combustie sunt utilizate în producerea de energie electrică (la centralele electrice), surse de energie de urgență, alimentare autonomă, transport, alimentare la bord, dispozitive mobile.
Adesea, sursele de curent chimic sunt folosite ca parte a bateriilor (bateriilor) .
Vezi și
- celule de combustibil
- Electrochimie
- Baterie electrică
- Sursa de curent chimic
- Dimensiuni standard ale celulelor galvanice
- element aer-zinc
- Clorura de tionil#Clorura de litionil_baterii
Note
- ↑ Bastion. Bateria lui Vasily Petrov . "Bastion". Consultat la 9 februarie 2019. Arhivat din original pe 9 februarie 2019.
- ↑ Bateria lui Vasily Petrov . www.powerinfo.ru Preluat la 9 februarie 2019. Arhivat din original la 15 iulie 2019.
- ↑ Shatelen M. A. Ingineri electrici ruși din a doua jumătate a secolului al XIX-lea. - Moscova: Editura și tipografia lui Gosenergoizdat, 1949. - S. 49. - 380 p.
- ↑ Petrov V. V. INFORMAȚII despre experimentele galvanico-voltaice, care au fost efectuate de profesorul de fizică Vasily Petrov. - Sankt Petersburg: Tipografia Colegiului Medical de Stat, 1803.
- ↑ Fizicianul Vasily Vladimirovici Petrov: biografie, descoperiri, invenții . Electrician (28 iunie 2017). Consultat la 9 februarie 2019. Arhivat din original pe 9 februarie 2019.
- ↑ Bateria „prima uriașă” a lui Vasily Petrov. The World of Electricity (link indisponibil) . librolife.ru. Consultat la 9 februarie 2019. Arhivat din original pe 9 februarie 2019.
Literatură
- Akhmetov N. S. Chimie generală și anorganică
- Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini.
- Eremin V. V., Kargov S. I., Uspenskaya I. A., Kuzmenko N. E., Lunin V. V. Fundamentele chimiei fizice. Teorie și sarcini: manual pentru universități
Link -uri
- Pile și baterii galvanice // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
- Celulă galvanică // Enciclopedia „Tehnica”. — M .: Rosmen , 2006.
- Surse de curent chimic // Marea Enciclopedie Sovietică : [în 30 de volume] / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
- www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html
 Dicționare și enciclopedii | |
|---|---|
| În cataloagele bibliografice |